Будущее накопителей информации. Часть 1. Жесткие диски
В постоянной погоне за гигагерцами и
гигабитами в секунду, которые пропускает через себя центральный
процессор, мы очень часто забываем, что в компьютере есть много
других важных компонентов, требующих улучшения, например оперативная
память, а также накопители, которые хранят обработанные данные.
Развитие устройств, позволяющих хранить информацию, так же важно,
как и увеличение вычислительной способности ЦПУ. В этой статье мы
расскажем о том, какие перспективы стоят перед современными
носителями информации, такими как жесткие диски.
Во второй части статьи мы опишем будущее накопителей на
оптических дисках, в третьей же постараемся рассмотреть некоторые
наиболее интересные и принципиально новые разработки из области
микроэлектронных механических систем, которые, возможно, будут
использоваться в устройствах, пришедших на смену традиционным HDD и
менее традиционным, но вполне знакомым CD, DVD и BlueRay.
Чтобы иметь возможность сравнивать между собой
разнообразные типы носителей, нужно выделить некоторые
характеристики, присущие каждому из них. Такие, например, как
скорость чтения или записи, среднее время поиска произвольного
элемента данных (Random Seek), а также стоимость хранения единицы
данных. Если же мы хотим сравнивать накопители данных, которых еще
нет в природе, но они появятся на свет в будущем, то нам нужно
постараться разбить их все на три большие группы: те, которые
вот-вот начнут производиться и в ближайшее время появятся на рынке;
те, которые станут массовыми в более-менее обозримом будущем и,
наконец, те, что появятся только при благоприятном стечении
обстоятельств и успешном окончании всех исследований, связанных с их
внедрением в жизнь. В самом деле, трудно сравнивать современный
винчестер с временем произвольного доступа в 9.0 мс с каким-нибудь
накопителем далекого будущего, у которого эта же характеристика
будет на несколько порядков лучше (т. е. меньше), но которого пока
нет на полках магазинов и не будет в ближайшие полсотни лет.
Естественно, в Интернете подобными сравнениями продолжают
заниматься, забывая, что опытный образец, появившийся в
сверхсекретной лаборатории Силиконовой долины и работающий лишь при
температуре, близкой к абсолютному нулю, - это еще не то же самое,
что винчестер, который стоит в компьютере у вас на рабочем
столе.
Тенденции развития магнитных накопителей информации
Начнем с жестких дисков, поскольку сегодня это,
пожалуй, самый распространенный и востребованный тип накопителя, и в
ближайшие 3-4 года острой конкуренции со стороны других видов
накопителей винчестерам испытывать, по-видимому, не придется.
Соперники пока однозначно проигрывают либо по скорости, либо по
емкости, либо по стоимости, а чаще всего - по нескольким показателям
сразу.
Что представляет из себя винчестер сегодня, мы все
хорошо знаем: емкость - скажем, от 20 до 400 гигабайт, среднее время
поиска - от 8 до 12 мс, скорость последовательного чтения/записи -
30-40 Мб/сек. В принципе, характеристики неплохие, хотя, опять же,
смотря с чем сравнивать: оперативная память-то побыстрее работать
будет (зато и подороже оказывается, да к тому же, при выключении из
сети полностью "забывает" все, что в нее было записано, -
согласитесь, существенный недостаток); перезаписываемые DVD-диски
куда дешевле (но вот по скорости работы и рядом не лежали, к тому же
и емкость у них сравнительно маленькая).
Если вспомнить, какие объемы данных приходится
считывать и записывать на винчестер при работе с мультимедиа, а
также то, что большинство современных ОС так или иначе использует
его в качестве дополнения к оперативной памяти, записывая туда
своп-файл, становится очевидным, что как бы ни были хороши
характеристики винчестеров, их было бы неплохо улучшить. В первую
очередь производителям хотелось бы увеличить упомянутые скорость
чтения/записи и поиска, а также емкость. На втором месте стоят
габариты, а также энергопотребление и ударопрочность вкупе с
надежностью. Естественно, в будущих моделях винчестеров эти
характеристики будут обязательно улучшены, остаются только вопросы:
как и когда?
Добиться увеличения скорости считывания можно двумя
путями: либо увеличивая плотность записи информации, либо заставляя
"блины" винчестера вращаться с большей скоростью. И тот и другой
способ имеют свои недостатки. При увеличении скорости вращения
шпинделя винчестеры начинают гораздо сильнее греться и становятся
более шумными, не говоря уже о том, что материал, из которого
сделаны пластины, должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать
соответствующие механические нагрузки и не деформироваться.
Технология их изготовления становится сложнее, и это отражается на
их стоимости: она существенно выше. Зато помимо увеличения линейной
скорости считывания при этом еще и уменьшается среднее время поиска
- за счет того, что головка раньше оказывается над нужным сектором
дорожки. Проблему с излишним трением и шумом частично помогут решить
гидродинамические подшипники, которые сравнительно недавно стали
использовать некоторые производители, но все равно нам кажется
маловероятным, что скорость вращения шпинделя в 3,5'' винчестерах
может превысить 15-20 тысяч оборотов в минуту, какие бы "хитрые" и
"навороченные" подшипники ни использовались.
При увеличении плотности записи также наблюдаются свои
негативные побочные эффекты, но с ними все же проще бороться. Зато к
плюсам можно отнести увеличение емкости накопителя, а это для
производителей винчестеров во многом куда более важный параметр, чем
среднее время поиска. Ведь на него среднестатистический покупатель
обращает больше внимания. Поэтому компании-производители жестких
дисков чаще всего пытаются улучшить свою продукцию именно этим
способом.
Суперпарамагнитный предел
- помеха на пути достижения сверхвысокой плотности
записи
Пластина современного жесткого диска состоит из
стеклянной или алюминиевой подложки с нанесенным сверху магнитным
покрытием. Отдельные участки этого покрытия могут быть намагничены
одним из двух возможных способов, которые обозначают ноль и единицу
(т. е. 1 байт). Такая намагниченная область называется магнитным
доменом, и представляет собой миниатюрный магнитик с определенной
ориентацией южного и северного магнитных полюсов. Если задать
намагниченность домена, информация будет записана. В конечном счете,
плотность записи информации определяют размеры этого самого домена.
Казалось бы, уменьшайте себе размеры доменов на здоровье, и будут
винчестеры такими емкими, какими только можно себе представить,
однако не все так просто.
Те из нас, кто не забыл еще школьную физику, могут
поднапрячься и вспомнить, что все вещества делятся на парамагнитные,
диамагнитные и ферромагнитные. Диамагнитными являются те вещества,
которые, находясь вне магнитного поля, не обладают магнитными
свойствами - понятно, что для создания накопителей информации они не
годятся. Атомы и молекулы парамагнитных веществ, напротив, уже сами
по себе, еще до того, как на них начало действовать внешнее
магнитное поле, представляют собой элементарные магнитики - однако
они тоже мало подходят для создания накопителей. И лишь
ферромагнетики, в которых в качестве элементарных магнитиков
выступают магнитные зерна достаточно большого размера, подходят для
длительного хранения информации.
Чтобы записать один бит информации, головка винчестера
создает определенным образом направленное магнитное поле, которое
ориентирует все элементарные магнитики домена преимущественно в
одном направлении. Эта ориентация благополучно сохраняется в течение
длительного времени уже после того, как головка прекратила свое
воздействие на ферромагнетик. Однако даже после многократной записи
в домене всегда остаются такие магнитные зерна, магнитная ориентация
которых не совпадает с ориентацией всего домена; причем
относительное содержание "плохих" зерен тем больше, чем меньше зерен
в домене, то есть, чем меньше его размер. Если попытаться сделать
домен слишком маленьким, то относительное количество "плохих" зерен
окажется настолько большим, что информационный сигнал невозможно уже
будет выделить на фоне шума. Из сложившейся ситуации существует два
выхода - поиск новых парамагнитных материалов с малыми и по
преимуществу однородными магнитными зернами и разработка алгоритмов,
позволяющих выделять полезный сигнал даже при низком соотношении
"сигнал/шум". Однако и тут существует свой предел возможностей. Если
магнитное зерно будет слишком малым, то тепловой энергии окружающей
среды с лихвой хватит на то, чтобы спонтанно сменить его
намагниченность. Грубо говоря, в этом случае мы получим вещество,
очень близкое по свойством к парамагнитному - винчестеры,
изготовленные из таких материалов, смогут работать лишь при
охлаждении жидким азотом или, что еще хуже, жидким гелием. Из-за
этого квазиперехода ферромагнитного вещества в парамагнитное
описанное ограничение и получило название суперпарамагнитного
предела.
Ну и помимо чисто физического ограничения в виде
суперпарамагнитного предела существует еще и техническое, связанное
с процессом записи и чтения информации, для которого, как уже
упоминалось, используется специальная головка. В самых первых
моделях винчестеров головка была универсальной - одна и та же
малюсенькая катушка индуктивности использовалась как для чтения, так
и для записи информации. Современные головки состоят из двух частей:
записывающей (катушки индуктивности) и читающей (магниторезистивной
головки, изменяющей свое сопротивление в зависимости от
напряженности магнитного поля). Естественно, размеры головки
конечны, и сегодня именно они во многом определяют размеры
минимальной намагничиваемой области - домена. Однако в современных
винчестерах размер домена настолько мал, что для дальнейшего его
уменьшения производителям потребуется перешагнуть через
суперпарамагнитный предел.
Именно поэтому специалисты ведущих компаний,
разрабатывающих жесткие диски, уже давно бьются над возникшей
проблемой, и надо сказать, весьма успешно. Пути развития технологий
и собственные ноу-хау, позволяющие в будущем преодолеть
суперпарамагнитный предел, разработаны каждой из них. Причем
некоторые уже применяются при серийном производстве винчестеров,
некоторые используются только в опытных образцах, но со дня на день
будут использоваться и при конвейерной сборке, некоторые, возможно,
так никогда и не доберутся до массового использования.
AFC
 Пожалуй, первой ласточкой, предвещавшей скорую победу
над суперпарамагнитным пределом, явилась технология создания
магнитно-компенсированных пленок, предложенная фирмой IBM. Суть идеи
заключается в нанесении на диск винчестера трехслойного
антиферромагнитного покрытия под названием AFC
(antiferromagnetically-coupled, антиферромагнитная пара), в котором
пара магнитных слоев разделена специальной изолирующей прослойкой из
рутения.
За счет того что расположенные друг под другом
магнитные домены имеют антипараллельную ориентацию магнитного поля,
они образуют пару, которая оказывается более устойчивой к
спонтанному перемагничиванию, чем одиночный "плоский" домен. Пробные
партии винчестеров, использующих технологию AFC, появились в 2001
году, но массовое ее использование началось только сейчас. Однако
AFC не является абсолютной панацеей - это лишь маленькое
усовершенствование старой технологии, позволяющее увеличить емкость
винчестеров в 4-8 раз, но не больше.
PMR
 Существенно больший выигрыш сулит применение
перпендикулярной записи (PMR, Perpendicular Magnetic Recording). Эта
технология известна достаточно давно, ее исследованиями активно
занимались уже лет 20-30 назад, однако довести дело до работающего и
недорогого в производстве устройства тогда не получилось. Сейчас о
PMR вновь вспомнили, разработкой новых жестких дисков на основе этой
технологии весьма плодотворно занимается компания Seagate. В августе
2002 года в Питтсбурге (США) ею был организован специальный научный
центр, в планы которого входило тщательное исследование не только
PMR, но и других проблем, связанных с созданием перспективных
накопителей информации на магнитных носителях. Как следует из
названия, PMR, в отличие от классической технологии записи,
использует магнитные домены с перпендикулярным (а не параллельным
поверхности диска) магнитным полем.
Это позволяет уменьшить продольные размеры домена,
слегка увеличив при этом его высоту. Кроме того, в случае PMR
соседние инвертные биты (1 и 0) уже не глядят друг на друга
одноименными полюсами, которые, как известно, отталкиваются, - это
позволяет уменьшить размер междоменного пространства, по сравнению с
классической технологией записи, что еще больше увеличивает емкость
винчестеров.
Понятно, что для реализации PMR необходимо применять
как совершенно иную конструкцию головки чтения/записи, так и новую
структуру магнитной поверхности диска. Головка, записывающая методом
PMR, должна иметь всего один основной полюс сердечника, второй полюс
будет вспомогательным. Основной полюс сердечника создает сильное
магнитное поле, линии которого выходят перпендикулярно магнитной
поверхности диска; проходя через специальный внутренний магнитный
слой, они замыкаются на широком вспомогательном полюсе сердечника.
Естественно, наиболее сильное по величине поле будет у основного
полюса - там и будет происходить перемагничивание домена, у широкого
вспомогательного полюса поле будет слишком слабое, чтобы
воздействовать на поверхность диска, и она при записи останется без
изменений. Так же как и AFC, PMR - это технология уже готовая к
применению в серийном производстве. Использующие ее винчестеры
должны появиться если не в этом, то в следующем 2005 году.
HAMR и SOMA - технологии 2010 года
 К числу наиболее перспективных технологий будущего, в
задачу которых входит дополнить PMR, когда та исчерпает свои ресурсы
и подойдет к очередному пределу, можно отнести термомагнитную запись
(HAMR, Heat Assistant Magnetic Recording) и самоорганизующиеся
магнитные решетки (SOMA, Self-Organized Magnetic Array). Дитер
Веллер, директор отделения исследований в области носителей центра
Seagate, считает, что HAMR призвана в очередной раз изменить принцип
чтения и записи данных, а SOMA - процесс изготовления магнитного
напыления для дисков.
Особенность HAMR заключается в использовании магнитных
материалов с высокой коэрцитивной силой, которые обеспечивают
высокую термостабильность записанных участков поверхности. Для
записи информации магнитный домен предварительно разогревается с
помощью сфокусированного лазерного пучка. Диаметр пучка и определяет
размер области, соответствующей одному биту информации. При
повышении температуры домена происходит существенное изменение его
магнитных свойств (уменьшается коэрцитивная сила), и, таким образом,
нагретые участки становятся способными к намагничиванию.
Естественно, что для внедрения HAMR в серийное производство
необходимо решить множество проблем, таких как разработка недорогих
и миниатюрных лазеров с очень маленькой длиной волны (иначе будет
невозможно создать фокусирующую систему), также необходимо
обеспечить эффективный теплоотвод от пластин (вспомним, как греются
современные винчестеры, что же будет, если их еще и лазером
подогревать, словно пищу в микроволновке?!) и еще ряд других. Однако
тот факт, что специалисты Seagate уже собрали действующую
экспериментальную установку, реализующую запись по технологии HAMR,
говорит о том, что эти проблемы будут, скорее всего, успешно решены.
Компания обещает, что HAMR получит применение в коммерческих
продуктах уже в 2010 году.
 Тем не менее, как уже говорилось, для дальнейшего
повышения плотности записи необходимо еще и изменить технологию
изготовления самих магнитных дисков, добиваясь равномерности и
однородности слоя частиц, составляющих его поверхность. Если этого
не сделать, то не поможет ни HAMR, ни любые другие ухищрения с
записывающей головкой. Модернизация механизмов чтения/записи должны
идти рука об руку с улучшением материалов и качества напыления
магнитного слоя. Здесь специалисты видят выход в использовании уже
упоминавшейся технологии SOMA, которая предусматривает формирование
на поверхности диска монодисперсного слоя "самоорганизующихся
магнитных массивов" из мельчайших однородных железно-платиновых
конгломератов размером около 3 нм (3 нм - это 10-15 атомов твердого
вещества, выложенных в ряд).
Применение этой "нанотехнологии" позволит существенно
снизить уровень нестабильности отдельных магнитных зерен и уменьшить
размеры намагничиваемой области для записи бита данных. В Seagate
считают, что все это может позволить выпускать накопители емкостью в
десятки, а может быть, даже сотни терабайт. Причем случится это не в
заоблачном будущем, а к началу следующего десятилетия.
Вместо заключения
Как мы видим, совершенствование жестких дисков на их
пути к достижению суперпарамагнитного предела может привести к тому,
что они вольют в себя некоторые свойства ближайших конкурентов -
оптических носителей информации, таких как CD и DVD. Естественно,
все это приведет к резкому возрастанию их сложности, а значит и
стоимости. В то же самое время, лишенные каких-либо
суперпарамагнитных пределов, оптические устройства будут
развиваться, захватывая все новые и новые рубежи, одерживая
очередные победы, и, вероятно, лет через десять-пятнадцать по всем
основным характеристикам превзойдут магнитные накопители. Во второй
части статьи мы попробуем разобраться с будущим CD и DVD, а также их
многочисленными модификациями и преемниками.
Автор: Алексей Смирнов, Иван Марциновский
Источник: www.comprice.ru
|
